CH717077A1 - Hybrid propulsion system of a helicopter. - Google Patents

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CH717077A1
CH717077A1 CH00103/20A CH1032020A CH717077A1 CH 717077 A1 CH717077 A1 CH 717077A1 CH 00103/20 A CH00103/20 A CH 00103/20A CH 1032020 A CH1032020 A CH 1032020A CH 717077 A1 CH717077 A1 CH 717077A1
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drive
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power
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CH00103/20A
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German (de)
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Wilfried Dummel Andreas
Werner Hettenkofer Johann
Matthias Even Detlev
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Kopter Group Ag
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridantriebssystem (4) mit Steuerungen und einer Antriebswelle (3) eines Helikopters mit einem Hauptrotor (1), welches eine von einem Piloten vorgegebene Fluglage stabil halten kann. Dieses umfasst eine Pilotensteuerung (5), einen Verbrennungsmotor (VM) (6) und einen Elektromotor (EM) (10), die beide direkt an der Antriebswelle (3) angreifen. Der VM (6) ist mit einer VM-Steuerung (7) verbunden, um die nötige Antriebskraft an der Antriebswelle (3) bereitzustellen. Zudem ist der EM (10) über einen Stromrichter (12) mit einer Batterie (14) verbunden, sodass der EM (10) durch die Ladung der Batterie (14) betrieben oder die Batterie (14) durch die mechanische Leistung am EM (10) geladen werden kann. Eine mit dem Stromrichter (12) verbundene EM-Steuerung (11) kann den Stromrichter (12) entsprechend regeln. Erfindungsgemäss sind an der Antriebswelle (3) ein Drehmomentsensor (17) und ein Drehzahlmesser (18) angeordnet, welche im Betrieb Daten an die VM-Steuerung (7) und die EM-Steuerung (11) übermitteln. Die VM-Steuerung (7) mit dem VM (6) ist jederzeit autark in der Lage, die erforderliche Drehzahl an der Antriebswelle (3) zu erreichen, um eine von der Pilotensteuerung (5) vorgegebene Fluglage stabil zu halten. Die EM-Steuerung (11) kann die Antriebswelle (3) mittels EM (10) zusätzlich antreiben oder bremsen, wodurch die VM-Steuerung (7) automatisch die Leistung am VM (6) an die neue resultierende Leistungsanforderung an der Antriebswelle (3) anpasst. In der EM-Steuerung (11) ist eine Direktive gespeichert, sie solle stets eine derartige Antriebs- oder Bremskraft auf die Antriebswelle (3) ausüben, welche eine optimale Drehzahl an der Antriebswelle (3) hält, um dadurch die optimale Motorenleistung des VMs (6) zu erreichen. Der Wert dieser optimalen Drehzahl in dazu von der EM-Steuerung (11) abrufbar.The invention relates to a hybrid drive system (4) with controls and a drive shaft (3) of a helicopter with a main rotor (1), which can maintain a stable flight position specified by a pilot. This comprises a pilot control (5), an internal combustion engine (VM) (6) and an electric motor (EM) (10), both of which act directly on the drive shaft (3). The VM (6) is connected to a VM controller (7) in order to provide the necessary drive force on the drive shaft (3). In addition, the EM (10) is connected to a battery (14) via a converter (12) so that the EM (10) is operated by charging the battery (14) or the battery (14) is operated by the mechanical power on the EM (10 ) can be loaded. An EM controller (11) connected to the converter (12) can regulate the converter (12) accordingly. According to the invention, a torque sensor (17) and a tachometer (18) are arranged on the drive shaft (3) and transmit data to the VM control (7) and the EM control (11) during operation. The VM control (7) with the VM (6) is independently able at any time to reach the required speed on the drive shaft (3) in order to keep a stable flight position specified by the pilot control (5). The EM control (11) can additionally drive or brake the drive shaft (3) by means of EM (10), whereby the VM control (7) automatically adjusts the power on the VM (6) to the new resulting power requirement on the drive shaft (3) adapts. A directive is stored in the EM control (11) that it should always exert a drive or braking force on the drive shaft (3) that maintains an optimal speed on the drive shaft (3) in order to achieve the optimal engine performance of the VM ( 6) to achieve. The value of this optimal speed can be called up by the EM control (11) for this purpose.

Description

Technisches GebietTechnical area

[0001] Die Erfindung betrifft ein Hybridantriebssystem mit Steuerungen und einer Antriebswelle eines Helikopters mit einem Hauptrotor mit einem Getriebe und einem Heckrotor, welches eine von einem Piloten vorgegebene Fluglage stabil halten kann. Es umfasst eine Pilotensteuerung, einen Verbrennungsmotor (VM) und einen Elektromotor (EM), die beide direkt an der Antriebswelle angreifen. Der VM ist mit einem Treibstofftank und einer VM-Steuerung verbunden, welche die Treibstoffzufuhr aus dem Treibstofftank zum VM regeln kann, um die nötige Antriebskraft an der Antriebswelle bereitzustellen. Zudem ist der EM über einen Stromrichter und eine Ladeeinheit mit einer Batterie verbunden, sodass der EM durch die Ladung der Batterie betrieben oder die Batterie durch die mechanische Leistung am EM geladen werden kann, wodurch die Antriebswelle jeweils entweder angetrieben oder gebremst würde. Eine mit dem Stromrichter verbundene EM-Steuerung kann den Stromrichter regeln, um eine erforderliche Antriebs- oder Bremskraft an der Antriebswelle bereitzustellen. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Hybridantriebssystems. The invention relates to a hybrid drive system with controls and a drive shaft of a helicopter with a main rotor with a gearbox and a tail rotor which can hold a flight position predetermined by a pilot in a stable manner. It comprises a pilot control, an internal combustion engine (VM) and an electric motor (EM), both of which act directly on the drive shaft. The VM is connected to a fuel tank and a VM controller, which can regulate the fuel supply from the fuel tank to the VM in order to provide the necessary drive force on the drive shaft. In addition, the EM is connected to a battery via a converter and a charging unit, so that the EM can be operated by charging the battery or the battery can be charged by the mechanical power on the EM, whereby the drive shaft would either be driven or braked. An EM controller connected to the converter can regulate the converter in order to provide a required drive or braking force on the drive shaft. The invention also relates to a method for operating such a hybrid drive system.

Stand der TechnikState of the art

[0002] Wie in der Fahrzeugindustrie ist auch bei Helikoptern der Antrieb mit zusätzlichem Elektromotor, insbesondere mit Hybridantrieb, bekannt. As in the vehicle industry, the drive with an additional electric motor, in particular with a hybrid drive, is also known for helicopters.

[0003] Ein ähnliches System wie oben beschrieben ist aus der US 2017/0225573 A1 bekannt. Es umfasst einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, der zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe des Hauptrotors angeordnet ist. Dasselbe ist bei der US 2018/0354635 A1 der Fall. Diese beschreibt auch ein Verfahren, welches mit verschiedenen Computersystemen die Aufteilung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor regelt. A similar system as described above is known from US 2017/0225573 A1. It comprises an internal combustion engine and an electric motor which is arranged between the internal combustion engine and the gearbox of the main rotor. The same is the case with US 2018/0354635 A1. This also describes a method that uses various computer systems to regulate the division between the internal combustion engine and the electric motor.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

[0004] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu beschreiben, mit der ein möglichst sicherer Betrieb des Helikopters gewährleistet werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, gemäss dem der sichere Betrieb durchgeführt werden kann. It is the object of the present invention to describe a device with which the safest possible operation of the helicopter can be guaranteed. Another object of the invention is to provide a method according to which safe operation can be carried out.

[0005] Die Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. The objects are achieved by the features of the independent patent claims. Further advantageous designs are given in the respective subclaims.

[0006] Erfindungsgemäss sind bei einem eingangs erwähnten Hybridantriebssystem an der Antriebswelle je mindestens ein Drehmomentsensor und ein Drehzahlmesser angeordnet, sodass die VM-Steuerung und die EM-Steuerung im Betrieb Daten von mindestens je einem Drehmomentsensor und von einem Drehzahlmesser erhalten können. Zudem ist vorzugsweise eine direkte Verbindung zwischen Pilotensteuerung, der VM-Steuerung und der EM-Steuerung eingerichtet. Diese wird lediglich gebraucht, um den VM zu starten und herunter zu fahren. Eine indirekte Verbindung existiert stets über die Fluglage des Helikopters, insbesondere über das Verhalten der Antriebswelle, wodurch sich die Leistungsanforderung im Normalbetrieb ausrichtet. According to the invention at least one torque sensor and a tachometer are arranged on the drive shaft in a hybrid drive system mentioned above, so that the VM control and the EM control can receive data from at least one torque sensor and one tachometer during operation. In addition, a direct connection is preferably set up between the pilot control, the VM control and the EM control. This is only needed to start and shut down the VM. An indirect connection always exists via the flight position of the helicopter, in particular via the behavior of the drive shaft, as a result of which the power requirement is aligned in normal operation.

[0007] Die EM-Steuerung ist derart eingerichtet, dass sie die Antriebswelle mittels EM zusätzlich antreiben oder bremsen kann, wodurch die VM-Steuerung automatisch die Leistung am VM an die neue resultierende Leistungsanforderung an der Antriebswelle anpassen kann, und dies im Betrieb auch tut. The EM control is set up in such a way that it can additionally drive or brake the drive shaft by means of EM, whereby the VM control can automatically adapt the power on the VM to the new resulting power requirement on the drive shaft, and it does so during operation .

[0008] Wichtig ist, dass die VM-Steuerung mit dem VM jederzeit autark in der Lage ist, die erforderliche Drehzahl an der Antriebswelle zu erreichen, um eine von der Pilotensteuerung vorgegebene Fluglage stabil zu halten. Dies bedeutet, dass jeder Helikopter mit seinem VM derart mit einem EM und einer EM-Steuerung aufgerüstet werden kann, ohne dass in das bestehende System der VM-Steuerung eingegriffen werden muss. Dies hat zur Folge, dass im Fall eines Systemfehlers, wenn der EM oder die EM-Steuerung ausfallen, der Helikopter normal nur mit dem VM geflogen werden kann. It is important that the VM control with the VM is autarkic at any time in a position to achieve the required speed on the drive shaft in order to keep a stable flight position predetermined by the pilot control. This means that every helicopter with its VM can be upgraded with an EM and an EM control without having to intervene in the existing system of the VM control. As a result, in the event of a system failure, if the EM or EM control fails, the helicopter can normally only be flown with the VM.

[0009] Im erfindungsgemässen Hybridsystem muss zudem die optimale Drehzahl für das Rotor-System eingehalten werden, wobei die erforderliche Leistungsabgabe, bei welcher der VM den höchsten Wirkungsgrad erreicht, gespeichert und für die EM-Steuerung abrufbar ist. Zudem ist eine erste Direktive gespeichert, welche im normalen Flug der EM-Steuerung vorgibt, eine jeweils derartige Antriebs- oder Bremskraft auf die Antriebswelle auszuüben, welche die bekannte, optimale Drehzahl an der Antriebswelle erreicht. Dadurch wird gewährleistet, dass die optimale Motorenleistung des VMs stets erreicht wird. In the hybrid system according to the invention, the optimal speed for the rotor system must also be maintained, the required power output at which the VM reaches the highest efficiency, stored and can be called up for the EM control. In addition, a first directive is stored which, in normal flight, specifies the EM control to exert a drive or braking force on the drive shaft that reaches the known, optimal speed on the drive shaft. This ensures that the VM's optimal engine performance is always achieved.

[0010] Der EM ist vorzugsweise zwischen dem VM und dem Getriebe des Hauptrotors angeordnet. Dies führt zu einer höheren Drehzahl und somit zu einem höheren Drehmoment an der Antriebswelle. The EM is preferably arranged between the VM and the transmission of the main rotor. This leads to a higher speed and thus to a higher torque on the drive shaft.

[0011] Das Verfahren zum Betreiben eines solchen Hybridantriebssystems zeichnet sich dadurch aus, dass Steuerbefehle eines Piloten mit Angaben über die jeweils erforderliche Fluglage von der Pilotensteuerung eine Leistungsanforderung erzeugen, die von der EM-Steuerung und der VM-Steuerung aufgenommen werden, dass Drehzahl- und Drehmomentmessdaten kontinuierlich sowohl der EM-Steuerung als auch der VM-Steuerung übertragen werden, dass die EM-Steuerung in der Flugphase alle Änderungen der Leistungsanforderungen sofort ermittelt und den EM durch eine geänderte Antriebs- oder Bremskraft auf die Antriebswelle regelt, dass die VM-Steuerung auf Grund dieser Steuerbefehle und der geänderten Drehzahl an der Antriebswelle die verbleibende, erforderliche Antriebskraft an der Antriebswelle mittels VM verzögert bereitstellt, um die erforderliche Fluglage zu gewährleisten, dass die EM-Steuerung die vom EM aufgebrachte Leistung gemäss ihrer ersten Direktive derart regelt, dass der VM mit der Leistung betrieben wird, in der er den höchsten Wirkungsgrad aufweist, wenn er die zusätzlich erforderliche Last aufbringt, um die erforderliche Fluglage zu gewährleisten, wodurch entweder die Batterie durch die mechanische Leistung am EM geladen oder der E mittels der Ladung in der Batterie betrieben wird, und dass beim Aussetzen der Direktive von der EM-Steuerung die VM-Steuerung automatisch auf Grund der Steuerbefehle des Piloten die erforderliche Antriebskraft an der Antriebswelle mittels VM bereitstellt.The method for operating such a hybrid drive system is characterized in that that control commands from a pilot with information about the required flight attitude from the pilot control generate a performance request, which is received by the EM control and the VM control, that speed and torque measurement data are continuously transmitted to both the EM control and the VM control, that the EM control immediately detects all changes in the performance requirements in the flight phase and regulates the EM by changing the drive or braking force on the drive shaft, that the VM control based on these control commands and the changed speed on the drive shaft provides the remaining, required drive force on the drive shaft by means of VM delayed in order to ensure the required flight attitude, that the EM control regulates the power applied by the EM in accordance with its first directive in such a way that the VM is operated with the power at which it has the highest degree of efficiency when it applies the additional load required to ensure the required flight attitude, whereby either the battery is charged by the mechanical power on the EM or the E is operated by means of the charge in the battery, and that when the directive from the EM control is suspended, the VM control automatically provides the required drive force on the drive shaft by means of VM on the basis of the pilot's control commands.

[0012] In der Praxis bedeutet dies, dass die EM-Steuerung auf die aktuelle Drehzahl, die sie stets in Echtzeit erhält, jeweils ohne Verzögerung reagiert: Ist die Leistungsanforderung höher als die derzeit bereitgestellte VM-Leistung, so bringt die EM-Steuerung über den EM mehr Leistung auf die Antriebswelle, und umgekehrt. Entsprechend kann der EM auch eine Bremskraft auf die Antriebswelle aufbringen, wenn die VM-Leistung, beispielsweise im Sinkflug, zu hoch ist und die Rotordrehzahl sich erhöht. Die so generierte elektrische Leistung wird rekuperiert und in die Batterie eingespeist, sodass sie später zur Verfügung steht. In practice, this means that the EM control reacts to the current speed, which it always receives in real time, without delay: If the power requirement is higher than the currently provided VM power, the EM control brings about the EM more power on the drive shaft, and vice versa. Accordingly, the EM can also apply a braking force to the drive shaft if the VM power, for example when descending, is too high and the rotor speed increases. The electrical power generated in this way is recuperated and fed into the battery so that it is available later.

[0013] Auf diese Weise wird das Hybride-System stets mit der Lastaufteilung geflogen, welche den vorhandenen Treibstoff am effizientesten einsetzt. Dies wird aber nicht erreicht, indem komplizierte Rechnungen durchgeführt werden, sondern direkt und einzig über die Kenntnis der jeweils aktuellen Drehzahl, der Kenntnis der optimalen Drehzahl für das Rotor-System und den Leistungsbereich mit höchstem Wirkungsgrad vom VM. In this way, the hybrid system is always flown with the load sharing that uses the available fuel most efficiently. However, this is not achieved by performing complicated calculations, but directly and solely through knowledge of the current speed, knowledge of the optimal speed for the rotor system and the power range with the highest degree of efficiency from the VM.

[0014] Durch die vorgegebene Einsteuerung eines bestimmten Drehmoments durch den EM kann ein Nachregeln des VM provoziert werden, welches ein fehlendes „Residualmoment“ ausgleicht. Dieser Mechanismus funktioniert auch bei Ausfall des EMs. Bei Ausfall des VMs übernimmt der EM sowieso die Bereitstellung des gesamten anfallenden Drehmoments. [0014] The predetermined control of a certain torque by the EM can provoke readjustment of the VM, which compensates for a missing “residual torque”. This mechanism also works if the EM fails. If the VM fails, the EM takes over the provision of the entire resulting torque anyway.

[0015] Beim Ausfall des EMs wird das erfindungsgemässe Hybridantriebssystem zu einem herkömmlichen VM-Antrieb, denn die VM-Steuerung stellt durch den VM jeweils genau das erforderliche Drehmoment mit einer definierten Verzögerung an der Antriebswelle zur Verfügung, das für die Erreichung resp. für den Erhalt der jeweils vom Piloten vorgegebenen Fluglage erforderlich ist. Indem der EM sehr schnell reagiert und gezielt den gesamten oder einen gewissen Teil des erforderlichen Moments an der Antriebswelle aufbringt, bleibt ein Residualmoment, das automatisch vom VM verzögert ausgeregelt wird. Fehlt die Leistung des EMs, wird diese automatisch durch den VM aufgebracht. If the EM fails, the hybrid drive system according to the invention becomes a conventional VM drive, because the VM control provides exactly the required torque with a defined delay on the drive shaft available through the VM, which is necessary for the achievement, respectively. is necessary for maintaining the flight attitude specified by the pilot. As the EM reacts very quickly and applies all or a certain part of the required torque to the drive shaft in a targeted manner, a residual torque remains that is automatically compensated by the VM with a delay. If the EM's performance is missing, this is automatically applied by the VM.

[0016] In einer verbesserten Variante sind zudem ein Füllstandsmesser am Treibstofftank und ein Ladezustandsmesser an der Batterie angeordnet, welche ihre Messdaten im Betrieb der EM-Steuerung übermitteln können. Stellt die EM-Steuerung beispielsweise fest, dass die Batterie fast leer ist, so wird sie gemäss einer zweiten Direktive von ihrer ersten Direktive abweichen und die erneute Ladung der Batterie durch geeignet langsames Absenken der EM-Motor-Leistung veranlassen, welche durch das automatische hochfahren der VM-Leistung ermöglicht wird. In an improved variant, a level meter on the fuel tank and a state of charge meter on the battery are also arranged, which can transmit their measurement data during operation of the EM control. If the EM control determines, for example, that the battery is almost empty, it will deviate from its first directive according to a second directive and cause the battery to be recharged by lowering the EM motor power slowly, which is automatically started up VM performance is enabled.

[0017] Optional kann eine Berechnungseinheit zum Berechnen der noch verfügbaren Energie, des erforderlichen Drehmoments an der Antriebswelle und/oder zum Steuern des Stromrichters angeordnet sein. Damit kann die EM-Steuerung die noch verfügbare Energie ermitteln und infolgedessen gemäss einer zweiten Direktive von der Regelung der ersten Direktive abweicht, um weitere optimierte Lastverteilungen zwischen EM und VM zu provozieren. So kann gezielt die Batterie geladen oder entladen werden, um Treibstoff zu sparen oder um zeitweise den VM mit niedrigerer Leistung zu betreiben, um die Lärmemission zu reduzieren. Optionally, a calculation unit for calculating the energy still available, the required torque on the drive shaft and / or for controlling the converter can be arranged. The EM control can thus determine the energy still available and consequently deviate from the regulation of the first directive according to a second directive in order to provoke further optimized load distributions between EM and VM. The battery can be charged or discharged in a targeted manner in order to save fuel or to temporarily operate the VM with lower power in order to reduce noise emissions.

[0018] Zudem kann, wenn der Treibstoff knapp ist, die EM-Steuerung den EM stärker belasten, um die Sicherheit zu gewährleisten. Auch kann der EM als Booster zugeschalten werden, um eine zusätzliche Leistung zu erbringen, z.B. beim Überfliegen eines hohen Berges. Andererseits kann in extremen Höhenlagen, in denen wegen der dünnen Luft die Leistung des VMs stark reduziert ist, der EM stärker arbeiten als gemäss der ersten Direktive notwendig, wenn die Batterieladung dies erlaubt, um die verfügbare Leistungsgrenze zu erhöhen oder Treibstoff einzusparen. In der Start- und/oder Landephase kann zudem ausschliesslich der EM betrieben werden, zur Reduktion von Lärm- und Abgasemissionen im Start- resp. Landegebiet. In addition, if the fuel is scarce, the EM control can burden the EM more to ensure safety. The EM can also be switched on as a booster to provide additional power, e.g. when flying over a high mountain. On the other hand, at extreme altitudes, where the performance of the VM is greatly reduced due to the thin air, the EM can work harder than necessary according to the first directive if the battery charge allows this in order to increase the available performance limit or to save fuel. In the take-off and / or landing phase, only the EM can be operated to reduce noise and exhaust emissions in the take-off or landing phase. Landing area.

[0019] Sobald die Ausnahmesituationen beendet sind, wird die erste Direktive wieder aktiviert. As soon as the exceptional situations have ended, the first directive is activated again.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[0020] Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen: 1 Fig. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt eines erfindungsgemässen Hybridantriebssystems; 2 eine Grafik zur Beschreibung der Lastaufteilung in verschiedenen Fluglagen, wie Steigen, Reiseflug und Sinken.In the following the invention is explained in more detail with reference to the drawings. The figures show: FIG. 1 a schematic representation in section of a hybrid drive system according to the invention; 2 a graphic to describe the load distribution in different flight situations, such as climbing, cruising and sinking.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

[0021] Die Figur 1 zeigt ein erfindungsgemässes Hybridantriebssystem 4 in einem Teilbereich eines Helikopters mit einem Antriebsstrang 3, einem Getriebe mit Hauptrotor 1 und einem Heckrotor 2. Am Antriebsstrang 3 sind parallel ein Verbrennungsmotor (VM) 6 und ein Elektromotor (EM) 10 angeordnet, wobei der EM 10 vorzugsweise zwischen dem VM 6 und dem Getriebe des Hauptrotors 1 angeordnet ist. Andere Anordnungen sind auch möglich. 1 shows a hybrid drive system 4 according to the invention in a partial area of a helicopter with a drive train 3, a transmission with a main rotor 1 and a tail rotor 2. An internal combustion engine (VM) 6 and an electric motor (EM) 10 are arranged in parallel on the drive train 3 , wherein the EM 10 is preferably arranged between the VM 6 and the transmission of the main rotor 1. Other arrangements are also possible.

[0022] Eine Pilotensteuerung 5 sorgt für die Aufnahme der Steuerbefehle eines Piloten zur Anstellung der Hauptrotor-Blätter, wodurch sich die einzustellende Motorleistung indirekt als erforderliches Drehmoment an der Antriebswelle 3 ergibt. Für den erfindungsgemässen Flugbetrieb optionale Daten-Signalleitung 19 mit der VM-Steuerung 7 stellt zusätzlich die Position der kollektiven Blattverstellung zur Verfügung. A pilot control 5 takes care of the reception of the control commands of a pilot for the employment of the main rotor blades, whereby the engine power to be set results indirectly as the required torque on the drive shaft 3. The data signal line 19 with the VM controller 7, which is optional for the flight operation according to the invention, also provides the position of the collective blade adjustment.

[0023] Der VM 6 ist mit einem Treibstofftank 8 und dieser mit der VM-Steuerung 7 verbunden, welche die Treibstoffzufuhr aus dem Treibstofftank 8 zum VM 6 regeln kann, um die nötige Antriebskraft an der Antriebswelle 3 bereitzustellen. Zudem ist der EM 10 über einen Stromrichter 12 und über eine Ladeeinheit 13 mit Stromspitzenpufferung und mit einer Batterie 14 verbunden, sodass der EM 10 durch die Ladung der Batterie 14 betrieben, oder die Batterie 14 durch die mechanische Leistung am EM 10 geladen werden kann, wodurch die Antriebswelle 3 jeweils entweder angetrieben oder gebremst wird. Die EM-Steuerung 11 ist mit dem Stromrichter 12 verbunden, welche den Stromrichter 12 regeln kann, um eine erforderliche Antriebs- oder Bremskraft an der Antriebswelle 3 bereitzustellen. The VM 6 is connected to a fuel tank 8 and this is connected to the VM controller 7, which can regulate the fuel supply from the fuel tank 8 to the VM 6 in order to provide the necessary drive force on the drive shaft 3. In addition, the EM 10 is connected to a power converter 12 and a charging unit 13 with current peak buffering and to a battery 14, so that the EM 10 can be operated by charging the battery 14, or the battery 14 can be charged by the mechanical power on the EM 10, whereby the drive shaft 3 is either driven or braked. The EM control 11 is connected to the converter 12, which can regulate the converter 12 in order to provide a required drive or braking force on the drive shaft 3.

[0024] Zudem können ein Füllstandsmesser 9 am Treibstofftank 8 und ein Ladezustandsmesser 15 an der Batterie 14 angeordnet sein, welche ihre Messdaten im Betrieb der Berechnungseinheit 16 übermitteln können. In addition, a level meter 9 can be arranged on the fuel tank 8 and a state of charge meter 15 can be arranged on the battery 14, which can transmit their measurement data to the calculation unit 16 during operation.

[0025] An der Antriebswelle 3 sind je mindestens ein Drehmomentsensor 17 und ein Drehzahlmesser 18 angeordnet. Die VM-Steuerung 7 und die EM-Steuerung 11 erhalten im Betrieb Daten von mindestens je einem Drehmomentsensor 17 und von einem Drehzahlmesser 18. At least one torque sensor 17 and a tachometer 18 are arranged on the drive shaft 3. During operation, the VM controller 7 and the EM controller 11 receive data from at least one torque sensor 17 each and from a tachometer 18.

[0026] Die Berechnungseinheit 16 ist mit der EM-Steuerung 11 und mit der VM-Steuerung 7 verbunden. Sie dient der Berechnung der noch verfügbaren Energie, des erforderlichen Drehmoments an der Antriebswelle 3 und/oder zum Führen der EM-Steuerung 11. Sie umfasst einen Datenspeicher 20, in dem der Wert einer optimalen Drehzahl DZo gespeichert ist, bei welcher eine optimale Leistungseinkopplung des VMs 6 erzielt wird. Bei dieser Leistungsgrenze mit der vorgegebenen Drehzahl DZo erreicht der VM 6 den höchsten Wirkungsgrad. The calculation unit 16 is connected to the EM controller 11 and to the VM controller 7. It is used to calculate the energy still available, the required torque on the drive shaft 3 and / or to guide the EM control 11. It includes a data memory 20 in which the value of an optimal speed DZo is stored at which an optimal power coupling of the VMs 6 is achieved. At this power limit with the specified speed DZo, the VM 6 achieves the highest level of efficiency.

[0027] Im Betrieb ist es die EM-Steuerung 11, welche die Verteilung der Lasten auf den VM 6 und den EM 10 provoziert. In Fig 2 wird dies schematisch dargestellt. In operation, it is the EM control 11 which provokes the distribution of the loads on the VM 6 and the EM 10. This is shown schematically in FIG.

[0028] Die gestrichelte Kurve im oberen Diagramm stellt die Fluglage zu jedem Zeitpunkt dar, wie sie jeweils von der Pilotensteuerung 5 gefordert wird, insbesondere die Flughöhe H. Mit der Flughöhe „0“ ist hier der Boden zu verstehen. Die durchgezogene Linie stellt die effektive Flughöhe H dar, sie ist leicht verzögert. In der ersten Phase I steigt der Helikopter stetig, bis er die gewünschte Flughöhe H1erreicht hat. In der zweiten Phase II fliegt er konstant in dieser Höhe weiter, und in der dritten Phase III sinkt er wieder ab. Zwischen allen Flugphasen dauert es jeweils eine Weile, bis das neu vorgegebene Ziel erreicht ist. The dashed curve in the upper diagram represents the flight attitude at each point in time, as required by the pilot control 5, in particular the flight altitude H. The flight altitude "0" here is to be understood as the ground. The solid line represents the effective flight altitude H, it is slightly delayed. In the first phase I, the helicopter rises steadily until it has reached the desired altitude H1. In the second phase II it flies constantly at this altitude, and in the third phase III it sinks again. It takes a while between all flight phases until the newly specified destination is reached.

[0029] Die Kurven im mittleren Diagramm geben die Last PHam Hauptrotor 3 (gestrichelte Linie), am Last PVM am VM 6 (punkt-gestrichelte Linie) und die Last PEMam EM 10 (gepunktete Linie) an. Der VM 6 arbeitet nach dem Startvorgang auf einem gleichbleibend hohen Niveau. In der ersten Phase I arbeitet der EM 10 als zusätzlicher Antrieb, bis die Flughöhe H1erreicht ist, um dann in der zweiten Phase II als Generator die zusätzlich verfügbare Energie aus dem Überschuss der Leistung vom VM 6 wieder in die Batterie 14 zu laden. Im Sinkflug, in der dritten Phase III, wird erst die Energie noch stärker rekuperiert, indem der EM 10 die Antriebswelle 3 noch weiter bremst. Anschliessend wird aber die Bremswirkung PEMstetig etwas reduziert, so dass die Drehzahl leicht ansteigt. Die VM-Steuerung 7 wird daher gleichermaßen die Leistung PVMam VM 6 herunter regeln. The curves in the middle diagram indicate the load PH on the main rotor 3 (dashed line), on the load PVM on the VM 6 (dot-dashed line) and the load PEM on the EM 10 (dotted line). The VM 6 works at a consistently high level after the start-up process. In the first phase I the EM 10 works as an additional drive until the flight altitude H1 is reached, in order then in the second phase II as a generator to load the additionally available energy from the surplus of the power from the VM 6 back into the battery 14. In the descent, in the third phase III, the energy is first recuperated to an even greater extent, in that the EM 10 brakes the drive shaft 3 even further. But then the braking effect PEM is steadily reduced somewhat, so that the speed increases slightly. The VM controller 7 will therefore regulate the power PVMam VM 6 down in the same way.

[0030] Die durchgezogene Kurve im untersten Diagramm gibt die jeweilige Drehzahl an der Hauptantriebswelle 3 an. Die gestrichelte Linie stellt die optimale Drehzahl DZ0dar. Erfindungsgemäss ist die Last am VM 6 in allen drei Fluglagen I, II, III gleich hoch, sie wird durch die EM-Steuerung 11 auf ein geeignetes Niveau provoziert, auf die optimale Drehzahl DZ0. Am Ende der Phase I, wenn die Flughöhe H1erreicht ist, ist plötzlich mehr Leistung da als erforderlich, daher steigt die Drehzahl kurzzeitig an. Der EM 12 senkt daher sofort seine Leistung PEMab, bis die gewünschte Drehzahl DZ0wieder erreicht ist, und bleibt dann konstant. Da der VM 6 viel träger ist als der EM 10, reagiert die VM-Steuerung 6 in diesen Übergängen zwischen den Phasen I und II und den Phasen II und III nicht. Die Leistung PVM am VM ist daher konstant, wie dies die Vorgabe der Steuerung an sich ist. The solid curve in the bottom diagram indicates the respective speed on the main drive shaft 3. The dashed line represents the optimal speed DZ0. According to the invention, the load on the VM 6 is the same in all three flight positions I, II, III; it is provoked by the EM control 11 to a suitable level, to the optimal speed DZ0. At the end of phase I, when the flight altitude H1 is reached, there is suddenly more power than necessary, so the speed increases for a short time. The EM 12 therefore immediately reduces its output PEM until the desired speed DZ0 is reached again, and then remains constant. Since the VM 6 is much more sluggish than the EM 10, the VM controller 6 does not react in these transitions between phases I and II and phases II and III. The power PVM on the VM is therefore constant, as is the specification of the control itself.

[0031] In der Phase III provoziert die EM-Steuerung 11 gemäss ihrer zweiten Direktive nun eine konstant leicht erhöhte Drehzahl. Da diese lang anhaltend ist, veranlasst dies die VM-Steuerung 7 nun doch, die Leistung PVMam VM kontinuierlich zu senken. Dadurch wird die Lärmemission kontinuierlich gesenkt, was der Bevölkerung im Landebereich zugutekommt. In phase III, the EM control 11 provokes a constant, slightly increased speed according to its second directive. Since this is long-lasting, this now causes the VM controller 7 to continuously reduce the power PVMam VM. As a result, the noise emissions are continuously reduced, which benefits the population in the landing area.

[0032] Zur Aufteilung der Leistungen von EM 10 und VM 6 dieses Hybridantriebs 4 wird einzig der Drehzahlmesser 18 an der Antriebswelle 3 gebraucht. Stellt die EM-Steuerung 11 fest, dass die Drehzahl der Antriebswelle 3 kleiner ist als die optimierte Drehzahl DZ0, was zu Beginn der Phase I der Fall ist, so sorgt sie für einen zusätzlichen Antrieb am EM 10, bis die Drehzahl auf den gewünschten Wert DZ0angehoben ist. Dann bleibt die Arbeit am EM 10 so lange konstant, bis die Drehzahl wieder vom Sollwert DZ0abweicht. Wird die Drehzahl grösser, wie jeweils zu Beginn der Phasen II und III der Fall ist, so senkt die EM-Steuerung 11 die Leistung PEMam EM 10 wieder solange, bis der gewünschte Wert DZ0erneut erreicht ist. Beim Reise- oder Sinkflug wird die Leistung am EM 10 gar soweit gesenkt, dass sein Beitrag negativ und somit zur Bremse wird. Die Regelung des Einsatzes durch den EM 10 wird somit einzig über die gemessene Drehzahl an der Antriebswelle 3 erreicht. To distribute the power of EM 10 and VM 6 of this hybrid drive 4, only the tachometer 18 on the drive shaft 3 is needed. If the EM control 11 determines that the speed of the drive shaft 3 is lower than the optimized speed DZ0, which is the case at the beginning of phase I, it provides an additional drive on the EM 10 until the speed has reached the desired value DZ0 is raised. The work on the EM 10 then remains constant until the speed again deviates from the setpoint DZ0. If the speed is greater, as is the case at the beginning of phases II and III, the EM controller 11 lowers the power PEMam EM 10 again until the desired value DZ0 is reached again. When traveling or descending, the performance of the EM 10 is even reduced to such an extent that its contribution becomes negative and thus acts as a brake. The control of the use by the EM 10 is thus achieved solely via the measured speed on the drive shaft 3.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

[0033] 1 Getriebe mit Hauptrotor 2 Heckrotor 3 Antriebswelle 4 Hybridantriebssystem 5 Pilotensteuerung 6 Verbrennungsmotor (VM) 7 VM-Steuerung 8 Treibstofftank 9 Füllstandsmesser 10 Elektromotor (EM) 11 EM-Steuerung 12 Stromrichter 13 Ladeeinheit 14 Batterie 15 Ladezustandsmesser 16 Berechnungseinheit 17 Drehmomentsensor 18 Drehzahlmesser 19 Daten-Signalleitung 20 Datenspeicher mit Wert der optimalen Drehzahl des VM I erste Phase, Steigflug II zweite Phase, konstante Flughöhe III dritte Phase, Sinkflug t Zeit H aktuelle Flughöhe H1zu erreichende Flughöhe P Leistung PHGesamtleistung PEMLeistung am EM PVMLeistung am VM DZ Drehzahl an der Antriebswelle DZ0optimale Drehzahl 1 gearbox with main rotor 2 tail rotor 3 drive shaft 4 hybrid drive system 5 pilot control 6 internal combustion engine (VM) 7 VM control 8 fuel tank 9 level meter 10 electric motor (EM) 11 EM control 12 converter 13 charging unit 14 battery 15 state of charge meter 16 calculation unit 17 torque sensor 18 Tachometer 19 data signal line 20 data memory with value of the optimal speed of the VM I first phase, climb II second phase, constant flight altitude III third phase, descent t time H current flight altitude H1 flight altitude to be reached P power PH total power PEM power on the EM PVM power on the VM DZ speed on of the drive shaft DZ0 optimum speed

Claims (8)

1. Hybridantriebssystem (4) mit Steuerungen und einer Antriebswelle (3) eines Helikopters mit einem mit einem Getriebe verbundenen Hauptrotor (1) und einem Heckrotor (2), welches eine von einem Piloten vorgegebene Fluglage stabil halten kann, umfassend - eine Pilotensteuerung (5), - einen Verbrennungsmotor (VM) (6) und einen Elektromotor (EM) (10), die beide direkt an der Antriebswelle (3) angreifen, - wobei der VM (6) mit einem Treibstofftank (8) und einer VM-Steuerung (7) verbunden ist, welche die Treibstoffzufuhr aus dem Treibstofftank (8) zum VM (6) regeln kann, um die nötige Antriebskraft an der Antriebswelle (3) bereitzustellen; - und wobei der EM (10) über einen Stromrichter (12) und eine Ladeeinheit (13) mit einer Batterie (14) verbunden ist, sodass der EM (10) durch die Ladung der Batterie (14) betrieben oder die Batterie (14) durch die mechanische Leistung am EM (10) geladen werden kann, wodurch die Antriebswelle (3) jeweils entweder angetrieben oder gebremst würde, - sowie umfassend eine mit dem Stromrichter (12) verbundene EM-Steuerung (11), welche den Stromrichter (12) regeln kann, um eine erforderliche Antriebs- oder Bremskraft an der Antriebswelle (3) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, - dass an der Antriebswelle (3) ein oder mehrere Drehmomentsensoren (17) und ein oder mehrere Drehzahlmesser (18) angeordnet sind, wobei die VM-Steuerung (7) und die EM-Steuerung (11) im Betrieb Daten von mindestens je einem Drehmomentsensor (17) und einem Drehzahlmesser (18) erhalten können, - und dass die VM-Steuerung (7) mit dem VM (6) jederzeit autark in der Lage ist, die erforderliche Drehzahl an der Antriebswelle (3) zu erreichen, um eine von der Pilotensteuerung (5) vorgegebene Fluglage stabil zu halten, - wobei die EM-Steuerung (11) die Antriebswelle (3) mittels EM (10) zusätzlich antreiben oder bremsen kann, wodurch die VM-Steuerung (7) automatisch die Leistung am VM (6) an die neue resultierende Leistungsanforderung an der Antriebswelle (3) anpassen kann, - wobei der Wert einer optimalen Drehzahl (DZo) in einem Datenspeicher (20) gespeichert und für die EM-Steuerung (11) abrufbar ist, bei welcher der VM (6) den höchsten Wirkungsgrad erreicht, - und wobei in der EM-Steuerung (11) eine Direktive gespeichert ist, stets eine derartige Antriebs- oder Bremskraft auf die Antriebswelle (3) auszuüben, welche die optimale Drehzahl (DZo) an der Antriebswelle (3) hält, um dadurch die optimale Motorenleistung des VMs (6) zu erreichen.1. Hybrid drive system (4) with controls and a drive shaft (3) of a helicopter with a main rotor (1) connected to a gearbox and a tail rotor (2), which can keep a stable flight position predetermined by a pilot - a pilot control (5), - an internal combustion engine (VM) (6) and an electric motor (EM) (10), both of which act directly on the drive shaft (3), - The VM (6) being connected to a fuel tank (8) and a VM controller (7) which can regulate the fuel supply from the fuel tank (8) to the VM (6) in order to generate the necessary drive force on the drive shaft (3 ) provide; - and wherein the EM (10) is connected to a battery (14) via a converter (12) and a charging unit (13), so that the EM (10) is operated by charging the battery (14) or the battery (14) can be charged by the mechanical power at the EM (10), whereby the drive shaft (3) would either be driven or braked, - as well as comprising an EM control (11) connected to the converter (12) which can regulate the converter (12) in order to provide a required drive or braking force on the drive shaft (3), characterized, - That one or more torque sensors (17) and one or more tachometers (18) are arranged on the drive shaft (3), the VM control (7) and the EM control (11) each having data from at least one torque sensor during operation (17) and a tachometer (18) can be obtained, - and that the VM control (7) with the VM (6) is independently able at any time to achieve the required speed on the drive shaft (3) in order to keep a stable flight attitude specified by the pilot control (5), - wherein the EM control (11) can additionally drive or brake the drive shaft (3) by means of EM (10), whereby the VM control (7) automatically adjusts the power on the VM (6) to the new resulting power requirement on the drive shaft ( 3) can customize, - wherein the value of an optimal speed (DZo) is stored in a data memory (20) and can be called up for the EM control (11) at which the VM (6) achieves the highest efficiency, - And a directive is stored in the EM control (11) to always exert such a drive or braking force on the drive shaft (3) that the optimum speed (DZo) on the drive shaft (3) is maintained in order to thereby achieve the optimum To achieve engine power of the VM (6). 2. Hybridantriebssystem (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der EM (10) zwischen dem VM (6) und dem Getriebe des Hauptrotors (1) angeordnet ist.2. Hybrid drive system (4) according to claim 1, characterized in that the EM (10) is arranged between the VM (6) and the transmission of the main rotor (1). 3. Hybridantriebssystem (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zudem ein Füllstandsmesser (9) am Treibstofftank (8) und ein Ladezustandsmesser (15) an der Batterie (14) angeordnet sind, welche ihre Messdaten im Betrieb der EM-Steuerung (11) übermitteln können.3. Hybrid drive system (4) according to claim 1 or 2, characterized in that, in addition, a level meter (9) on the fuel tank (8) and a state of charge meter (15) on the battery (14) are arranged, which show their measurement data during operation of the EM Control (11) can transmit. 4. Hybridantriebssystem (4) Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Berechnungseinheit (16) zum Berechnen der noch verfügbaren Energie, zum Berechnen des erforderlichen Drehmoments an der Antriebswelle (3) und/oder zum Steuern des Stromrichters (12).4. Hybrid drive system (4) claim 3, characterized by a calculation unit (16) for calculating the energy still available, for calculating the required torque on the drive shaft (3) and / or for controlling the converter (12). 5. Hybridantriebssystem (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine direkte Daten-Signalleitung (19) zwischen der Pilotensteuerung (5) und der VM-Steuerung (7) eingerichtet ist.5. Hybrid drive system (4) according to one of the preceding claims, characterized in that a direct data signal line (19) is set up between the pilot control (5) and the VM control (7). 6. Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebssystems (4) für eine Antriebswelle (3) eines Helikopters unter Verwendung eines Hybridantriebssystems (4) mit Steuerungen (5, 7, 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte - dass Steuerbefehle eines Piloten mit Angaben über die jeweils erforderliche Fluglage von der Pilotensteuerung (5) eine Leistungsanforderung erzeugen, die von der EM-Steuerung (11) und der VM-Steuerung (7) durch Änderung der Drehzahl aufgenommen werden, - dass Drehzahl- und Drehmomentmessdaten kontinuierlich sowohl der EM-Steuerung (11) als auch der VM-Steuerung (7) übertragen werden, - dass die EM-Steuerung (11) in der Flugphase alle Änderungen der Leistungsanforderungen sofort ermittelt und den EM (10) durch eine geänderte Antriebs- oder Bremskraft auf die Antriebswelle (3) regelt, - dass die VM-Steuerung (7) auf Grund der geänderten Drehzahl an der Antriebswelle (3) die verbleibende, erforderliche Antriebskraft an der Antriebswelle (3) mittels VM (6) verzögert bereitstellt, um die erforderliche Fluglage zu gewährleisten, - wobei die EM-Steuerung (11) die vom EM (10) aufgebrachte Leistung gemäss ihrer ersten Direktive derart regelt, dass der VM (6) mit der Leistung betrieben wird, in der er den höchsten Wirkungsgrad aufweist, wenn er die zusätzlich erforderliche Last aufbringt, um die erforderliche Fluglage zu gewährleisten, - wodurch entweder die Batterie (14) durch die mechanische Leistung am EM (10) geladen oder der EM (10) mittels der Ladung in der Batterie (14) betrieben wird, - und dass beim Aussetzen der Direktive von der EM-Steuerung (11) die VM-Steuerung (7) automatisch und auf Grund der Steuerbefehle des Piloten die erforderliche Antriebskraft an der Antriebswelle (3) mittels VM (7) bereitstellt.6. A method for operating a hybrid drive system (4) for a drive shaft (3) of a helicopter using a hybrid drive system (4) with controls (5, 7, 11) according to one of the preceding claims, characterized by the steps - that control commands from a pilot with information about the required flight attitude from the pilot control (5) generate a power request, which are received by the EM control (11) and the VM control (7) by changing the speed, - that speed and torque measurement data are continuously transmitted to both the EM control (11) and the VM control (7), - that the EM control (11) immediately determines all changes in the power requirements in the flight phase and regulates the EM (10) by changing the drive or braking force on the drive shaft (3), - that the VM control (7), due to the changed speed on the drive shaft (3), provides the remaining required drive force on the drive shaft (3) with a delay by means of VM (6) in order to ensure the required flight attitude, - The EM control (11) regulates the power applied by the EM (10) according to its first directive in such a way that the VM (6) is operated with the power at which it has the highest efficiency when it carries the additionally required load applies to ensure the required attitude, - whereby either the battery (14) is charged by the mechanical power on the EM (10) or the EM (10) is operated by means of the charge in the battery (14), - and that when the directive from the EM control (11) is suspended, the VM control (7) automatically and based on the control commands of the pilot provides the required drive force on the drive shaft (3) by means of VM (7). 7. Verfahren nach Anspruch 5 mit Rückbezug auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die EM-Steuerung (11) auf Grund der Messdaten vom Füllstandsmesser (9) des Treibstofftanks (8) und vom Ladezustandsmesser (15) der Batterie (14) die noch verfügbare Energie ermittelt und infolgedessen gemäss einer zweiten Direktive von der Regelung der ersten Direktiven abweicht, um gezielt die Batterie (14) zu laden oder zu entladen, um Treibstoff zu sparen oder um zeitweise den VM (6) mit niedrigerer Leistung zu betreiben, um die Lärmemission zu reduzieren.7. The method according to claim 5 with reference to claim 4, characterized in that the EM control (11) based on the measurement data from the level meter (9) of the fuel tank (8) and from the state of charge meter (15) of the battery (14) the still available energy is determined and consequently deviates from the regulation of the first directives according to a second directive in order to specifically charge or discharge the battery (14) in order to save fuel or to temporarily operate the VM (6) with lower power in order to achieve the Reduce noise emissions. 8. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Start- und/oder Landephase ausschliesslich der EM (10) betrieben wird zur Reduktion von Lärm- und Abgasemissionen im Landegebiet.8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that only the EM (10) is operated in the take-off and / or landing phase to reduce noise and exhaust emissions in the landing area.
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